Fotovoltaická přeměna solární energie je stále aktuální

Fotovoltaická přeměna solární energie je stále aktuální
17. evropská konference a výstava o fotovoltaické přeměně solární energie

Martin Libra, Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta,
Vladislav Poulek, Poulek Solar, s. r. o., Brandýs nad Labem

Otázka trvale udržitelného rozvoje je v poslední době často diskutována. Názory na to, zda je tento rozvoj možný, se mezi odborníky velmi liší. Využití obnovitelných zdrojů energie se proto stalo aktuálním tématem především kvůli omezeným zásobám klasických zdrojů a s ohledem na ekologické aspekty. Vedle často uváděných a všeobecně známých argumentů chceme zdůraznit, že v případě využití solárních, vodních a větrných elektráren není produkováno odpadní teplo, prach, popílek a oxidy uhlíku, dusíku a síry, jako je tomu u tepelných a jaderných elektráren. Zmíněné oxidy způsobují skleníkový efekt a kyselé deště, množství odpadního tepla bývá až dvakrát větší než množství vyrobené elektrické energie. Ohřev atmosféry a změny klimatu jsou již dobře známým nebezpečím. Z hlediska trvale udržitelného rozvoje je výroba energie z obnovitelných zdrojů jedinou cestou pro další vývoj.

I malé zdroje alternativní energie s výkony jednotek až desítek kilowattů mají velký význam, zejména v místech se specifickými podmínkami a bez klasických rozvodů elektrické energie. To jsme na stránkách časopisu Světlo již diskutovali v našich předchozích článcích [1], [2]. Problematice fotovoltaické přeměny solární energie se v současné době věnuje značná pozornost a pravidelně se v tomto oboru pořádají mezinárodní vědecké konference a výstavy. V posledních letech jsme se zúčastnili několika významných akcí, např. v loňském roce to byla 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, konaná ve dnech 22. až 26. října 2001 v německém Mnichově. Jsme rádi, že se těchto akcí pravidelně aktivně zúčastňují i odborníci z České republiky, zejména z Fyzikálního ústavu AVČR, Matematicko-fyzikální fakulty UK, z Technické fakulty ČZU a z firem Poulek Solar, s. r. o., SOLARTEC, s. r. o., a TRIMEX Tesla, s. r. o. V tomto článku zmíníme některé naše nejnovější postřehy z poslední doby.

Již existují solární elektrárny s maximálním výkonem větším než 1 MW. Solární elektrárna ale nenahradí klasickou elektrárnu se stejným výkonem. Zatímco využitelnost tepelných a jaderných elektráren je 85 až 90 % (odstávky pouze pro plánovanou údržbu či výměnu paliva), využitelnost solárních elektráren je pouze maximálně 30 %, a to v pouštních oblastech s ideálními slunečními podmínkami (např. v noci je tma). Přesto plocha 1 km2 solárních panelů na bázi polykrystalického křemíku s pohyblivým stojanem a s mírným koncentrátorem záření může poskytnout energii 4,3 × 10⁸ kW·h·rok^–1. Plocha solárních panelů neodpovídá ploše elektrárny, neboť je třeba počítat s rozestupy mezi panely a s plochou na měniče. Celosvětová výroba energie v roce 1997 činila 1 × 10¹⁴ kW·h.

Z porovnání těchto dvou hodnot vyplývá, že teoreticky by bylo možné vyrábět energii pouze v solárních elektrárnách. Jen plochy pouští v severní Africe, na jihu USA, v Mexiku, v Chile, v Mongolsku, v západní Austrálii a v Kazachstánu jsou mnohem větší, než by bylo nezbytné. Elektrická energie by mohla být dopravována do míst spotřeby běžným vedením, v budoucnosti i supravodivým, nebo by mohla být akumulována do kapalného vodíku a transportována v této podobě. Na elektrolýzu vody a zkapalnění 1 kg vodíku je třeba energie přibližně 50 kW·h, ale je nutné počítat ještě s určitým množstvím energie potřebné na dopravu obou médií.

Na obr. 1 je vidět nárůst celosvětové výroby fotovoltaických panelů v poslední čtvrtině uplynulého století a předpoklad vývoje výroby v následujícím desetiletí. Vývoj v posledních dvaceti letech je v semilogaritmickém měřítku možné aproximovat lineární závislostí, což reálně odpovídá exponenciálnímu růstu. Na obr. 2 je ukázán podíl teritorií na výrobě elektrické energie pomocí solárních fotovoltaických panelů [3]. Nejvíc solárních panelů je instalováno v Japonsku a v USA. Je to pochopitelné, neboť to jsou státy s rozvinutým průmyslem, ale s minimem vlastních zdrojů energie. Ropu, uhlí a plyn musí draho dovážet. Podíl celé Evropy činí 28 % a podíl „zbytku světa“ je nejmenší – 8 %, neboť zde většinou jde o rozvojové země, v nichž chybí kupní síla.

Zatímco před dvaceti lety se účinnost fotovoltaické přeměny energie jen pomalu blížila 20 %, nyní některé špičkové laboratorní vzorky fotovoltaických článků na bázi monokrystalického křemíku již překročily hranici 35 % – díky pokroku v polovodičových technologiích a díky povrchovým úpravám, které minimalizují reflexi záření. Účinnost sériově vyráběných článků a z nich sestavených panelů je nižší.

Na konferencích i výstavách lze pozorovat postupný přechod od výroby fotovoltaických panelů s monokrystalickými solárními články k panelům s polykrystalickými články. Je tomu tak pravděpodobně v důsledku menší technologické i energetické náročnosti výroby polovodičů na polykrystalické bázi, přičemž účinnost takovýchto článků je nižší již jen o několik procent. Účinnost přeměny energie nejlepších sériově vyráběných panelů na bázi monokrystalického křemíku je kolem 20 %, účinnost nejlepších panelů na bázi polykrystalického křemíku překračuje 15 %. Nejlepší panely na jiných bázích (např. monokrystalický InP nebo GaAs) mají účinnost přesahující 25 %, ale jejich cena je až o řád vyšší. Proto se uplatňují především na družicích a orbitálních stanicích, kde cena není limitujícím faktorem. Navíc GaAs má vyšší odolnost proti kosmickému záření.

Tenkovrstvové články na bázi křemíku (Si) či heteropřechodů s CuInSe, CdSe, CdTe se svou účinností pohybují kolem 10 %, přičemž technologie jejich výroby je ještě jednodušší, neboť výroba krystalu odpadá. Největším problémem je však stabilita parametrů. Podaří-li se tento nedostatek vyřešit, význam tenkovrstvových fotovoltaických článků rychle vzroste.

Problematice pohyblivých stojanů pro kolektory solární energie jsme se podrobněji věnovali v našich předchozích článcích [1], [2] a popsali jsme i princip činnosti stojanu typu TRAXLETM. Ekonomickou kalkulaci jejich přínosu k zlevnění solární energie jsme diskutovali v článku [4]. Na povrch Země v kolmém směru dopadá maximální intenzita záření přibližně I = 1 100 W·m^–2. Při účinnosti kvalitních kolektorů na bázi polykrystalického křemíku asi 15 % lze z plochy kolektoru S = 1 m² získat maximální výkon P = 160 W·m². Při šikmém dopadu tato hodnota klesá. Je-li u kolektoru instalováno zařízení schopné sledovat pohyb Slunce po obloze a natáčet kolektor po celý den kolmo ke slunečnímu záření, může tento kolektor ve srovnání se stacionárním kolektorem vyrobit více energie, neboť vyrobená energie W je dána vztahem

Teoretický výpočet je následující: Vyjděme z předpokladu, že maximální intenzita záření na plochu orientovanou kolmo ke směru záření je I = 1 100 W·m^–2.

Dále předpokládejme, že délka dne je t = 12 h = 43 000 s, přičemž je porovnáván kolektor, který ideálně sleduje Slunce, s  pevným kolektorem, jenž je orientován kolmo ke směru dopadajícího záření pouze v pravé poledne. Plochu kolektoru označme S₀.

a) Potom pro pevný kolektor průmět této plochy do směru kolmého ke směru záření je S = S₀ cos j, přičemž úhel j je úhel dopadu a během dne se mění v intervalu

Pro úhlovou rychlost pohybu Slunce po obloze platí w = 2p/T = 7,27 · 10^–5 s^–1 a pro diferenciál dopadající energie platí dW = I S dt. Neuvažuje-li se vliv atmosféry, je možné vypočítat energii, která dopadne na plochu kolektoru S₀ = 1 m² za 1 den:

b) Pro pohyblivý kolektor, který ideálně sleduje Slunce, lze vypočítat energii, která dopadne na plochu kolektoru S = 1 m² za jeden den, jestliže se opět neuvažuje vliv atmosféry: W = I S₀ t = 4,75 · 10⁷ W·s = 13,2 kW·h

Navýšení dopadající energie (po vynásobení účinností i vyrobené energie) bez uvážení vlivu atmosféry tedy činí 57 %. Například na povrchu Měsíce by bylo takového navýšení skutečně dosaženo. V pozemských podmínkách je třeba počítat s tím, že po východu Slunce a před jeho západem svítí Slunce přes silnou vrstvu atmosféry, tedy intenzita záření dopadajícího na plochu orientovanou kolmo ke směru záření je mnohem menší než v poledne. Den však může být ve vyšších zeměpisných šířkách i delší než dvanáct hodin. Rovněž je zapotřebí uvážit složky difuzního cirkumsolárního záření a difuzního izotropního záření. Na povrchu Země tedy navýšení vyrobené energie může činit maximálně 40 %, což bylo i experimentálně změřeno. Kombinace pohyblivého stojanu a mírného hřebenového koncentrátoru záření může množství vyrobené energie až zdvojnásobit [5]. Na obr. 3 je pohyblivý fotovoltaický solární systém 3 kW firmy Poulek Solar, s. r. o., instalovaný ve Velké Británii. Na obr. 4 je expozice firmy Poulek Solar, s. r. o., na výstavě v Mnichově.

Na výstavách lze v této oblasti pozorovat stále větší zájem architektů, kteří solární kolektory již začleňují do celkové kompozice staveb. Asi největší solární střecha je instalována v Německu na novém výstavišti v Mnichově. Zde fotovoltaické panely pokrývají všechny výstavní haly a poskytují až 20 % energie potřebné k provozu výstaviště. Na dálnicích v západní Evropě je možné často vidět solární panely, které zásobují energií stanice tísňového volání. Panely zásobující energií parkovací hodiny lze nalézt i v centru Vídně.